砂卵石層中盾構(gòu)施工技術(shù)分析

鄧 武,馮 鋼

(長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,湖南長沙 410007)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,我國城市交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重,已經(jīng)影響了人們的正常生活,因此越來越多的城市開始修建地鐵來提高城市路網(wǎng)效率,改善交通狀況。盾構(gòu)工法因其地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工速度快、對周圍環(huán)境影響少等優(yōu)點已成為地鐵隧道施工工法的首選[1]。但因各地的地質(zhì)情況不同,特別是在一些非常復(fù)雜的地質(zhì)條件下,如長沙地區(qū)廣泛分布的砂卵石地層等,給盾構(gòu)施工帶來了很大的風(fēng)險和困難。

長沙軌道交通2號線一期工程13標(biāo)的長沙大道站～體育新城站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石層時地表塌陷,經(jīng)及時處理后,保證了盾構(gòu)的順利通過。

1 工程概況

長沙市軌道交通2號線一期工程13標(biāo),位于湖南省長沙市雨花區(qū)。本標(biāo)段包括兩個盾構(gòu)長間隧道,其中體育公園～長沙大道站區(qū)間長約887m,長沙大道站～人民東路站長約1 828m。區(qū)間工程位置示意圖如圖1所示。

長沙大道～體育公園區(qū)間隧道在ZDK16+220～ZDK16+720(500m)地表為棚戶區(qū)民房,其中ZDK16+420～ZDK16+730(310m)段盾構(gòu)隧道穿越卵石地層,此段隧道埋深6.0～7.8m,地層自上而下為雜填土、＜2-1＞粉質(zhì)粘土、＜2-4＞卵石、＜5-1＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、＜5-2＞中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層(如圖2所示)。

棚戶區(qū)段地勢低洼,較周邊地勢低5m左右,為地表水的匯集段,且無排水系統(tǒng),地下水豐富,主要為地表滲入補(bǔ)給,在砂卵石地層透水性強(qiáng),地下水位為地表下約0.5m。據(jù)了解此洼地以前為菜地及魚塘,后由村民就地修建無基礎(chǔ)、干砌空心磚一層簡易結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)整體性差,且房屋大部分已有裂縫。

隧道穿越地層主要為＜2-4＞卵石、＜5-1＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層。卵石地層厚度2～8 m,該地層多為中密狀,卵石含量約55%～60%,石英質(zhì),亞圓形,磨圓度較好,最大粒徑達(dá)10 cm,一般粒徑20～40mm,砂質(zhì)充填。卵石地層侵入隧道最大約4m,隧道斷面下部為泥質(zhì)粉砂巖,巖石強(qiáng)度約4～9MPa。砂卵石地層空隙率高,連通性好,和地表水聯(lián)系密切,富水性強(qiáng)。盾構(gòu)掘進(jìn)時對土體進(jìn)行擾動,容易引起土層失水、土體變形,極易造成地表下沉。

2 地表塌陷原因分析

根據(jù)盾構(gòu)隧道右線前80環(huán)(共120m)掘進(jìn)的施工參數(shù),盾構(gòu)施工掘進(jìn)時土倉壓力為0.8×105Pa左右,停機(jī)時保壓為1×105Pa左右;同步注漿及時壓注,注入量平均為6.5m3/環(huán),砂漿經(jīng)過配比調(diào)試,達(dá)到稠度高、凝固速度快的效果,盾尾后地面沉降量在20 mm以內(nèi)(多在10 mm左右),均在規(guī)范允許范圍(-10～+30)內(nèi)[2]。

當(dāng)右線盾構(gòu)掘進(jìn)至80環(huán)時,地表出現(xiàn)坍陷,其寬約3m,深約1 m,體積約6m3的坑。坍陷位置位于隧道81環(huán)處,坑內(nèi)主要為砂及泡沫混合體。該處隧道洞體上半部為砂卵石層,下半部為泥質(zhì)粉砂巖,砂卵石層延伸至洞頂以上2 m,其上部為粘土及雜填土,隧道埋深約6.5m。

綜合地質(zhì)條件、施工情況和坍陷現(xiàn)象分析,此次事故的可能原因[3]有:

1)砂卵石層位于隧道頂部,地質(zhì)松散,孔隙率大,含水量高。在盾構(gòu)掘進(jìn)時對土體進(jìn)行擾動,引起土層失水,土體變形,造成地表沉降過大。

2)坍塌部位有一銹蝕的鑄鐵排水管道,其流水外泄對周邊土體長期沖刷,形成空洞,當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對其擾動,使土體失穩(wěn),造成地表坍塌。

3)盾構(gòu)施工時有糊刀現(xiàn)象,刀盤扭矩大,推力大,速度慢。采用加泡沫對渣土改良,其效果不理想。同時土倉保壓不穩(wěn)定,其值約為0.4×105～0.6×105Pa之間,造成該環(huán)出土量比前期多0.3車。

3 處理措施

3.1 恢復(fù)掘進(jìn)方案

根據(jù)盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)2環(huán)的情況,刀盤扭矩大,掘進(jìn)速度無法提高,碴土改良難以實現(xiàn),碴土粘性高等情況分析,盾構(gòu)刀具及刀盤面板上已有糊刀的現(xiàn)象,要對刀盤及刀具上的糊土進(jìn)行處理。

基于此種狀況,其實施措施為:先對刀盤前方土體進(jìn)行加固,加固范圍為刀盤前長6 m,寬至隧道邊線外2m,加固深度至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2m,加固采用地表袖閥管注雙液漿的方式,注漿孔間距為1m,注漿時按先外后內(nèi)包圍的注漿順序,自下而上按一定的設(shè)計注漿分段長度進(jìn)行注漿;另外在刀盤前后施工降水井,對刀盤位置進(jìn)行降水,防止在開倉過程中發(fā)生流砂的現(xiàn)象,降水井采用地表管井降水,共設(shè)4孔(刀盤前后5m,左右為隧道邊線外2m),降水井深度為深入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層3m,孔徑50 cm,下放3.5 kW水泵抽水(如圖3所示)。

在地表措施完成后,根據(jù)土倉內(nèi)壓力等參數(shù)分析,確定刀盤前方穩(wěn)定后,進(jìn)行開倉,人工對刀具及刀盤的糊土進(jìn)行處理,處理完后關(guān)閉倉門,恢復(fù)掘進(jìn)。

圖3 地表處理措施圖(單位:mm)

3.2 盾構(gòu)穿越砂卵石層的施工方案

通過對前70環(huán)掘進(jìn)情況分析,各項施工參數(shù)較為合理,地表沉降總體控制在10mm左右,最大沉降值為14mm,均在規(guī)范要求(+10～-30mm)之內(nèi)。具體采取措施如下:

1)根據(jù)地表埋深及水位高度和前段施工經(jīng)驗,理論土倉上部壓力設(shè)定在0.6×105～0.8×105Pa[4],停機(jī)保壓在0.9×105～1.0×105Pa。

2)出土量采用分段控制,按每掘進(jìn)18 cm以一控制段,約半斗碴,掘進(jìn)36 cm為一斗碴,由主司機(jī)、值班工程師及調(diào)車員共同確認(rèn),出碴前先確定碴斗內(nèi)的碴是否倒完,如發(fā)現(xiàn)有多出土現(xiàn)象立即停機(jī)再提高土壓。

3)碴土改良以泡沫為主,同時針對砂卵石地層加入高分子聚合物防止糊刀及噴涌現(xiàn)象發(fā)全,對泡沫加入量不進(jìn)行限制,以碴土改良均勻為目的,高分子聚合物每環(huán)加入量在2 kg左右。

4)為碴土在土倉內(nèi)充分?jǐn)嚢?達(dá)到更好的碴土改良,同時使同步注漿能及時飽滿地充填盾尾空隙,掘進(jìn)速度控制在5 cm/min左右,并做好設(shè)備保障,使盾構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)均衡掘進(jìn)。

5)盾尾后同步注漿目前的配合比能滿足要求,水泥摻入量在220 kg/m3,在滿足盾構(gòu)壓注的情況下提高稠度。考慮砂卵石地層漿液流散多,漿液填充按理論空隙的1.8倍考慮,注入量按7～7.5m3/環(huán)控制,同時根據(jù)注漿壓力在1.2×105Pa左右,壓注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注入量與壓力兩項標(biāo)準(zhǔn)同時控制,當(dāng)兩項標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到后方可結(jié)束。壓注過程中根據(jù)掘進(jìn)速度及時注入飽滿。

6)在盾尾后3～6環(huán)管片上,進(jìn)行二次注漿。通過特殊環(huán)管片預(yù)留注漿孔,打入鋼花管對管片背后地層進(jìn)行雙液漿注入作業(yè),著重對頂部150°位置進(jìn)行注漿。根據(jù)地質(zhì)情況,棚戶區(qū)段內(nèi)隧道上部3m內(nèi)有砂卵石地層段,如隧道上部砂卵石地層厚度大于3 m,加固厚度則按3.5 m進(jìn)行。地層加固注漿形式如圖4所示。

圖4 隧道洞內(nèi)注漿加固示意圖

7)因砂卵石地層變形迅速,前奏時間短,采取增大監(jiān)測頻率及至跟蹤監(jiān)測,監(jiān)測人員采取兩班倒的形式,并將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析反映至洞內(nèi),指導(dǎo)盾構(gòu)施工。

8)本段民用水井較多,影響到隧道的水井約39孔,其中有10孔在隧道內(nèi)。水井管質(zhì)有混凝土管及鋼管,水井深度在5～9m,因隧道上部為卵礫石層,透水性強(qiáng),影響到盾構(gòu)掘進(jìn)時的土壓保持工作。部分水井侵入洞體,盾構(gòu)帶壓掘進(jìn)過程中壓力可能通過這些管道釋放,導(dǎo)致泡沫泥漿等噴、涌出地面,造成壓力釋放,影響開挖面穩(wěn)定。盾構(gòu)到達(dá)前對影響盾構(gòu)施工的水井做提前做回填處理。

9)根據(jù)地質(zhì)剖面圖和房屋布置分析,隧道在270環(huán)后,砂層在隧道頂部上1m,基本對隧道無影響,則右線加固范圍為80～270環(huán),左線50～270環(huán),共615m,在有條件的地方采用袖閥管注漿加固,注漿孔間距按1m布置,深度為5 m,注漿壓力為0.8～1.0MPa,使地面下5m形成一硬殼層,在盾構(gòu)掘進(jìn)時盾構(gòu)頂部有地層損失而不致于地表下沉。

4 結(jié)論

在盾構(gòu)穿越砂卵石層時,存在較大的風(fēng)險和困難,但可以通過調(diào)整土倉壓力、出土量、掘進(jìn)速度、盾尾注漿、二次注漿等施工參數(shù)及地層加固和加強(qiáng)監(jiān)測等措施來有效地控制地表沉降。

[1]王毅才.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2]夏才初,李永盛.地下工程測試?yán)碚撆c監(jiān)測技術(shù)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.

[3]李希元,閆靜雅,孫艷萍.盾構(gòu)隧道施工工程事故的原因與對策[J].地下空間與工程學(xué)報,2005,1(6):698-671.

[4]王明年,魏龍海,路軍富,等.成都地鐵卵石層中盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué),2011,32(1):99-105.